碳纖維構(gòu)架的強(qiáng)度試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)方法研究

王石

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在運(yùn)營(yíng)過程中承受著復(fù)雜的多軸疲勞載荷，自從德國(guó)工程師Wohler提出S-N曲線和疲勞極限的概念以來，工程師們就一直在針對(duì)承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)的研究，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架逐漸形成了以箱形梁或管梁焊接而成的“H”型結(jié)構(gòu)。

隨著材料科學(xué)的發(fā)展，軌道車輛車體材料逐漸從鋼過渡到鋁合金，轉(zhuǎn)向架的一些附屬零部件如碳纖維天線梁、碳纖維軸箱吊耳等也得到小規(guī)模應(yīng)用，并且憑借其自身較高的模態(tài)頻率，避免了轉(zhuǎn)向架附屬零部件共振疲勞的問題。

截止2020年，國(guó)內(nèi)外轉(zhuǎn)向架構(gòu)架所使用的材料仍然是鋼，其他材料的構(gòu)架目前仍主要處于研究驗(yàn)證階段。德國(guó)在20世紀(jì)80年代中期研發(fā)了世界上第1臺(tái)復(fù)合材料構(gòu)架并通過了靜態(tài)模擬試驗(yàn)和耐久性試驗(yàn)。日本1989年試制成功碳纖維復(fù)合材料（CFPR）構(gòu)架，該構(gòu)架自重0.3 t，比普通鋼制構(gòu)架減重70%［1］。川崎重工研發(fā)的efWING構(gòu)架側(cè)梁采用CFPR，比金屬梁減重約40%，且利用碳纖維材料的特性簡(jiǎn)化了一系簧結(jié)構(gòu)。該構(gòu)架在TTCI進(jìn)行了4 500 km的線路試驗(yàn)，輪重減載率降了約一半，由于一系懸掛由軸箱擴(kuò)展到整個(gè)側(cè)梁，乘坐舒適度也有很大提升。德國(guó)Voith生產(chǎn)的碳纖維過渡車鉤僅23 kg［2］。某標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組碳纖維設(shè)備艙通過了氣動(dòng)載荷試驗(yàn)、振動(dòng)沖擊試驗(yàn)且減重35%，已經(jīng)在線路上正式應(yīng)用［1］。

轉(zhuǎn)向架作為列車運(yùn)行中重要零部件，其疲勞性能直接關(guān)系到列車的運(yùn)行安全。2017年，日本“希望”號(hào)新干線列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架開裂事故，原因在于底盤過薄導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度過低［3］。碳纖維構(gòu)架理論抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度遠(yuǎn)高于普通的鋼制構(gòu)架，但由于市場(chǎng)原因及安全性認(rèn)識(shí)不足，只有ef-WING轉(zhuǎn)向架應(yīng)用在小型低速線路網(wǎng)中［4］。

受客觀條件限制，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)碳纖維構(gòu)架的認(rèn)知主要停留在理論仿真層面。單臺(tái)構(gòu)架生產(chǎn)所需要的生產(chǎn)工藝要求高、制造成本昂貴，只有個(gè)別主機(jī)廠有生產(chǎn)樣品，進(jìn)一步限制了研究人員理論方法驗(yàn)證的開展。王新宇利用ABAQUS建立了車體碳纖維枕梁的有限元仿真模型，結(jié)合漸進(jìn)損傷分析方法和漸進(jìn)疲勞損傷模型編寫UMAT子程序，建立了一種復(fù)合材料層合板的靜力學(xué)分析方法和疲勞分析方法［5］。

談程指出碳纖維構(gòu)架由于材料性能特點(diǎn)，在動(dòng)力學(xué)計(jì)算時(shí)需把它看作柔性體［6］。利用ANSYS和SIMPACK，對(duì)柔性體構(gòu)架一系定位剛度對(duì)蛇行臨界速度的影響進(jìn)行了分析。當(dāng)把構(gòu)架考慮成柔性體時(shí)，其臨界速度、平穩(wěn)性指標(biāo)較剛體構(gòu)架要好，曲線通過性能差別不大。

碳纖維材料的阻尼是普通金屬的10～100倍，當(dāng)有少量纖維斷裂時(shí)，載荷會(huì)在剩余纖維上重新分配，相對(duì)于金屬材料疲勞強(qiáng)度一般為屈服強(qiáng)度的50%～60%，碳纖維的疲勞強(qiáng)度可達(dá)到屈服強(qiáng)度的70%～80%［7］。碳纖維可根據(jù)模具的不同編織成各種復(fù)雜的形狀。碳纖維材料高強(qiáng)度、高阻尼、低密度的特性與及軌道交通輕量化、高速化發(fā)展趨勢(shì)不謀而合。

碳纖維材料理論性能優(yōu)異，但相關(guān)研究表明，碳纖維的材料性能受編織密度、纖維方向、溫度等因素的影響。在疲勞試驗(yàn)中，纖維板分層后，由于界面之間的摩擦?xí)?dǎo)致纖維的斷裂，界面法向力越大則纖維越容易斷裂失效［8］。在130℃的濕熱環(huán)境下，碳纖維材料的抗拉強(qiáng)度和纖維層之間的剪切強(qiáng)度降幅能達(dá)到50%左右［9］。由于影響碳纖維材料性能的因素眾多，在軌道交通領(lǐng)域除一些非承載零部件外，在輪軸、構(gòu)架、車體等關(guān)鍵部件鮮有正式應(yīng)用。

文中基于某公司生產(chǎn)的碳纖維構(gòu)架實(shí)體，對(duì)其進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)和線路試驗(yàn)，研究了碳纖維構(gòu)架在EN 13749標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定載荷和工況下的強(qiáng)度特性。在碳纖維構(gòu)架表面布置了應(yīng)變片，獲取了碳纖維構(gòu)架各個(gè)關(guān)鍵部位線路試驗(yàn)條件下的應(yīng)力譜，并根據(jù)Miner線性累積損傷準(zhǔn)則和德國(guó)勞氏船級(jí)社提供碳纖維S-N曲線對(duì)碳纖維構(gòu)架疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)估。

1 構(gòu)架試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)主要基于國(guó)外的標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)包括：UIC 615-4-2003《動(dòng)力轉(zhuǎn)向架—轉(zhuǎn)向架和走行裝置—轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)》［10］，BS EN 13749-2011《鐵路設(shè)施—輪對(duì)—用于規(guī)定轉(zhuǎn)向架構(gòu)架 的 結(jié) 構(gòu) 要 求 的 方 法》［11］，JIS E 4207-2004+EART-2013《鐵道車輛用轉(zhuǎn)向架構(gòu)架—設(shè)計(jì)通則》［12］和JIS E 4208-2004《鐵道車輛用貨車車架和轉(zhuǎn)向架承載梁靜載荷的試驗(yàn)方法》［13］。

JIS標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架僅進(jìn)行運(yùn)營(yíng)工況下的靜強(qiáng)度試驗(yàn)，運(yùn)用疲勞極限法對(duì)獲取的靜強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)構(gòu)架焊接工藝做了較多規(guī)定，且對(duì)構(gòu)架疲勞強(qiáng)度與測(cè)試應(yīng)力的關(guān)系進(jìn)行了研究，在對(duì)構(gòu)架焊接性能充分認(rèn)知的基礎(chǔ)上認(rèn)為不需要再進(jìn)行疲勞試驗(yàn)［14］。

UIC 615標(biāo)準(zhǔn)和EN 13749標(biāo)準(zhǔn)在載荷和工況的確定方法上有很大的相似性。UIC 615標(biāo)準(zhǔn)中將構(gòu)架的縱向載荷認(rèn)為是局部載荷。3種標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)構(gòu)架設(shè)備安裝座的局部載荷均有相關(guān)規(guī)定，EN 13749標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定最為詳細(xì)。EN 13749標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的組合工況也最為詳細(xì)。

在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，JIS標(biāo)準(zhǔn)的適用性上偏向于焊接構(gòu)架，而UIC 615標(biāo)準(zhǔn)和EN 13749標(biāo)準(zhǔn)有很大的相似性，而EN 13749標(biāo)準(zhǔn)更為詳細(xì)，因此根據(jù)EN 13749對(duì)碳纖維構(gòu)架進(jìn)行靜強(qiáng)度試驗(yàn)。

2 碳纖維構(gòu)架臺(tái)架試驗(yàn)分析

2.1 碳纖維構(gòu)架試驗(yàn)載荷及工況

碳纖維構(gòu)架作為一種全新材料，全新工藝的構(gòu)架，研究人員對(duì)其性能的認(rèn)識(shí)還處于起步階段。因此需以較為嚴(yán)格而全面的試驗(yàn)結(jié)果校核其服役時(shí)的安全性。某公司生產(chǎn)的碳纖維構(gòu)架仍然沿用鋼制構(gòu)架的設(shè)計(jì)思路，在主體結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)鋼制構(gòu)架無異，均為“H”型結(jié)構(gòu)，構(gòu)架橫側(cè)梁的三維尺寸也基本一致。在設(shè)計(jì)階段，認(rèn)為碳纖維構(gòu)架與傳統(tǒng)構(gòu)架處于同樣的運(yùn)營(yíng)條件。除主體結(jié)構(gòu)外，其余傳統(tǒng)鋼制設(shè)備安裝座如制動(dòng)吊座、牽引拉板座、抗側(cè)滾扭桿安裝座等均通過鉚釘或螺栓與編織在碳纖維構(gòu)架內(nèi)部的安裝孔連接，這些局部結(jié)構(gòu)的固定方式與傳統(tǒng)構(gòu)架略有區(qū)別，傳統(tǒng)構(gòu)架一般將這些局部結(jié)構(gòu)焊接在構(gòu)架橫側(cè)梁，但局部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和尺寸仍基本一致。碳纖維構(gòu)架實(shí)體圖如圖1所示。

圖1 碳纖維構(gòu)架實(shí)體圖

根據(jù)EN 13749標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到碳纖維構(gòu)架臺(tái)架試驗(yàn)載荷以及載荷組合工況見表1。臺(tái)架試驗(yàn)的載荷主要考慮構(gòu)架的二系空簧的垂向力、橫向止擋處的橫向力、車軸上的縱向力、制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)吊座垂向力、曲線線路上構(gòu)架本身的扭轉(zhuǎn)以及菱形變形。

2.2 碳纖維構(gòu)架的力學(xué)性能

某常用鋼與某型常規(guī)碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能對(duì)比見表2。

從表2中可以看出，碳纖維材料的比強(qiáng)度和比模量遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)鋼材，表明獲得相同的力學(xué)性能條件下使用碳纖維會(huì)大大減輕結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

表2 材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)表[15]

文獻(xiàn)［16］表明碳纖維圓孔試件拉伸時(shí)的破壞應(yīng)力遠(yuǎn)高于最大應(yīng)力準(zhǔn)則的預(yù)測(cè)值，這表明孔邊區(qū)域存在大規(guī)模的應(yīng)力松弛現(xiàn)象。在無法獲得構(gòu)架各部位所使用碳纖維材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線的情況下，第2.3節(jié)僅以試驗(yàn)所測(cè)得的應(yīng)變數(shù)值對(duì)碳纖維構(gòu)架的靜力學(xué)性能進(jìn)行初步評(píng)估。

2.3 應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

碳纖維本身屬于各向異性材料，如果鋪層過程中纖維體的方向均勻分布時(shí)，則表現(xiàn)出準(zhǔn)各向同性［17］，即在碳纖維板內(nèi)平面內(nèi)各方向強(qiáng)度和剛度不變，碳纖維板法向強(qiáng)度和剛度與面內(nèi)不同。碳纖維構(gòu)架的橫側(cè)梁壁厚遠(yuǎn)大于纖維直徑，且編織的經(jīng)密緯密隨幾何形狀而變化，因此認(rèn)為碳纖維構(gòu)架面內(nèi)材料性能表現(xiàn)為各向同性。

在碳纖維構(gòu)架表面粘貼應(yīng)變片和應(yīng)變花測(cè)量構(gòu)架關(guān)鍵部位的應(yīng)變。碳纖維構(gòu)架表面粘貼的應(yīng)變片和應(yīng)變花如圖2所示，直角應(yīng)變花所測(cè)量三向應(yīng)變，評(píng)估時(shí)需根據(jù)應(yīng)變花計(jì)算公式轉(zhuǎn)化為最大名義應(yīng)變。

圖2 碳纖維構(gòu)架應(yīng)變粘貼圖

按表1設(shè)置的工況進(jìn)行構(gòu)架靜強(qiáng)度臺(tái)架試驗(yàn)，得到的較危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)變信息見表3。

表3中，工況5和工況8測(cè)得的最大應(yīng)變值顯著大于其他測(cè)點(diǎn)，2個(gè)工況下最大應(yīng)變測(cè)點(diǎn)號(hào)均為S2.29，如圖3所示。工況5和工況8采集到的該應(yīng)變片的殘余應(yīng)變分別為-93 με和-24 με，分別為最大應(yīng)變值的0.64%和0.14%。應(yīng)變片本身在工況5和工況8的大應(yīng)變下也會(huì)有一定殘余變形，因此構(gòu)架本身在該局部測(cè)點(diǎn)的殘余應(yīng)變應(yīng)小于-93 με和-24 με，因此認(rèn)為碳纖維材料仍處于彈性區(qū)間。2個(gè)工況在不同時(shí)間加載，排除了偶然因素的干擾。該測(cè)點(diǎn)位于構(gòu)架的橫側(cè)梁連接處附近，除工況5和工況8外的工況均不包含構(gòu)架的菱形載荷，因此該測(cè)點(diǎn)對(duì)菱形載荷較為敏感。構(gòu)架在表1所有靜強(qiáng)度加載工況下均未產(chǎn)生塑性變形。

圖3 測(cè)點(diǎn)S2.29布置圖

表1 碳纖維構(gòu)架臺(tái)架試驗(yàn)工況表

表3 各工況危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)變信息統(tǒng)計(jì)表

3 基于實(shí)測(cè)應(yīng)力譜的疲勞分析

3.1 試驗(yàn)方案

傳統(tǒng)鋼制構(gòu)架疲勞失效一般位于焊縫的焊趾或焊根處。鋼制構(gòu)架的疲勞評(píng)估方法一般采用名義應(yīng)力、熱點(diǎn)應(yīng)力或結(jié)構(gòu)應(yīng)力，獲取評(píng)估點(diǎn)處的應(yīng)力譜，根據(jù)不同焊接形式的焊縫的S-N曲線進(jìn)行疲勞評(píng)估。碳纖維構(gòu)架為一體編織成型，沒有所謂的焊趾或焊根，但在構(gòu)架的幾何突變處，設(shè)備安裝接口處必然存在著應(yīng)力集中，構(gòu)架的疲勞失效必然位于應(yīng)力集中處，在這些位置布置測(cè)點(diǎn)能夠比較全面準(zhǔn)確地評(píng)估碳纖維構(gòu)架的疲勞性能。碳纖維構(gòu)架動(dòng)應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖4所示。

圖4 碳纖維構(gòu)架動(dòng)應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖

試驗(yàn)在車體超員載荷AW3條件下運(yùn)營(yíng)，試驗(yàn)測(cè)試的轉(zhuǎn)向架包括一個(gè)動(dòng)車鋼制轉(zhuǎn)向架構(gòu)架和拖車碳纖維轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，用以對(duì)比同樣運(yùn)營(yíng)條件下鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向架與碳纖維轉(zhuǎn)向架的疲勞性能差異。應(yīng)變片電阻120 Ω，靈敏度系數(shù)2.2，采用1/4惠斯通橋路組橋。將應(yīng)變片延長(zhǎng)線集中布置到構(gòu)架端部，從車門接入車內(nèi)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，設(shè)定數(shù)據(jù)采樣頻率2 500 Hz。實(shí)測(cè)線路運(yùn)營(yíng)里程共95.68 km。

剔除車體在站臺(tái)停留時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)，對(duì)構(gòu)架站間啟動(dòng)、勻速、制動(dòng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到最大應(yīng)力σmax和最小應(yīng)力σmin，確定16級(jí)應(yīng)力譜的各級(jí)應(yīng)力區(qū)間組間距為式（1）：

對(duì)站間動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)，得到各循環(huán)的應(yīng)力均值和應(yīng)力幅值，按Goodman平均應(yīng)力修正公式修正得到應(yīng)力均值為0的應(yīng)力循環(huán)，并按修正后的應(yīng)力幅值與應(yīng)力譜的各級(jí)應(yīng)力區(qū)間對(duì)應(yīng)并計(jì)數(shù)。

3.2 碳纖維構(gòu)架疲勞評(píng)估方法

傳統(tǒng)鋼制構(gòu)架的疲勞評(píng)估方法包括疲勞極限法和累積損傷法。疲勞極限法簡(jiǎn)單易用，僅通過構(gòu)架的靜強(qiáng)度試驗(yàn)獲取的各應(yīng)力測(cè)點(diǎn)各工況下的應(yīng)力值即可進(jìn)行疲勞評(píng)估，JIS E 4207/4208標(biāo)準(zhǔn)中即只采用該方法進(jìn)行構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度評(píng)估。

該方法將各個(gè)測(cè)點(diǎn)在所有疲勞工況（一般為運(yùn)營(yíng)工況）下的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力找出，求出測(cè)點(diǎn)的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值，并在Goodman-Smith圖或Haigh圖中打點(diǎn)，若所有點(diǎn)均在包絡(luò)線內(nèi)即認(rèn)為構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

目前國(guó)內(nèi)各主機(jī)廠在除了使用疲勞極限法評(píng)估，同時(shí)進(jìn)行構(gòu)架的臺(tái)架疲勞試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。國(guó)內(nèi)的鐵路常用材料的Goodman疲勞極限圖繪制工作于2000年后由鐵道科學(xué)研究院會(huì)同11個(gè)鐵路院校和工廠展開［18］，目前還沒有可以用于評(píng)估碳纖維構(gòu)架的疲勞極限圖，因此，文中采用累積損傷法對(duì)碳纖維構(gòu)架的疲勞性能進(jìn)行評(píng)估。

地鐵運(yùn)營(yíng)速度較低，業(yè)內(nèi)通常認(rèn)為地鐵構(gòu)架的運(yùn)營(yíng)里程按每個(gè)月1萬km，30年共360萬km。假設(shè)構(gòu)架運(yùn)行360萬km且疲勞測(cè)點(diǎn)應(yīng)力譜幅值為碳纖維的疲勞極限時(shí)的損傷為1，若基于實(shí)測(cè)應(yīng)力譜擴(kuò)展到360萬km時(shí)得到的構(gòu)架損傷小于1，則認(rèn)為碳纖維構(gòu)架疲勞性能滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)TB/T 3548—2019《機(jī)車車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn) 鑒定規(guī)范 總則》［19］，構(gòu)架的等效應(yīng)力幅計(jì)算公式為式（2）：

式 中：j為 應(yīng) 力譜 級(jí) 數(shù)，一般 取8級(jí)、16級(jí)或32級(jí)，文中應(yīng)力譜級(jí)數(shù)為16級(jí)；m為與S-N曲線相關(guān)的斜率；L1為線路試驗(yàn)運(yùn)行里程；L為總里程即360萬km；等效應(yīng)力幅σeq作用N次（N取1 000萬次，對(duì)應(yīng)360萬km的應(yīng)力循環(huán)）。

若等效應(yīng)力幅σeq小于N次循環(huán)下對(duì)應(yīng)的碳纖維的疲勞強(qiáng)度，則認(rèn)為構(gòu)架滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 鋼制構(gòu)架和碳纖維構(gòu)架疲勞性能分析

傳統(tǒng)鋼制構(gòu)架焊縫的S-N曲線一般通過相同材料的標(biāo)準(zhǔn)試棒的S-N曲線進(jìn)行修正得到，部分常見的焊縫S-N曲線在標(biāo)準(zhǔn)中直接給出。碳纖維的材料性能與經(jīng)緯線角度、經(jīng)緯線密度、纏繞張力、溫濕度等因素有關(guān)，編織成構(gòu)架的碳纖維的疲勞性能與構(gòu)架幾何形狀之間的關(guān)系也無法確定。由于缺少構(gòu)架所采用的碳纖維材料的疲勞強(qiáng)度，文中根據(jù)風(fēng)電行業(yè)德國(guó)勞氏船級(jí)社《Guideline for the Certification of Wind Turbines》［20］的規(guī)定，通過公式計(jì)算獲得碳纖維的構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度。

《Guideline for the Certification of Wind Turbines》規(guī)定評(píng)價(jià)碳纖維材料的疲勞強(qiáng)度時(shí)需選取一定的安全系數(shù)γMx，γMx主要和局部安全系數(shù)γM0、鋪層時(shí)的溫度、失效作用以及鋪層方式有關(guān)，根據(jù)規(guī) 定γM0=1.35，安 全 系 數(shù)γMx和γM0存 在 關(guān) 系為式（3）：

式中：i取為5；C1b、C2b、C3b、C4b、C5b均是經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證的可供備選的換算系數(shù)。由于無法獲取碳纖維構(gòu)架的S-N曲線的斜率，采用船級(jí)社推薦的碳纖維復(fù)合材料S-N曲線的斜率m為14，因此計(jì)算可得C1b=3.16。C2b、C3b分別考慮時(shí)間和溫度對(duì)材料的劣化效應(yīng)，分別取值1.1和1.1；對(duì)于有修補(bǔ)處理的碳纖維復(fù)合材料，C4b=1.0，C5b為與風(fēng)電設(shè)備相關(guān)的參數(shù)，與本次評(píng)估無關(guān)，因此取1.0。綜合以上參數(shù)得碳纖維復(fù)合材料疲勞強(qiáng)度的安全系數(shù)γMb=3.83。

在《Guideline for the Certification of Wind Turbines》規(guī)范的復(fù)合材料疲勞強(qiáng)度校核中充分考慮了平均應(yīng)力對(duì)材料或者構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的影響，利用其推薦采用的Goodman經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行平均應(yīng)力修正。勞氏船級(jí)社規(guī)定的碳纖維Goodman疲勞極限圖如圖5所示。圖中Rk，t和Rk，c分別是通過試驗(yàn)獲得的材料的拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度，其關(guān)系為式（4）：

圖5 碳纖維Goodman疲勞極限圖

構(gòu)架碳纖維材料的疲勞極限為式（5）：

根據(jù)應(yīng)力譜和碳纖維材料的S-N曲線計(jì)算得到的鋼制構(gòu)架和碳纖維構(gòu)架的等效應(yīng)力幅。分別列出了2種構(gòu)架利用度最大的4個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力幅值和利用度，見表4。

表4 鋼制構(gòu)架和碳纖維構(gòu)架疲勞結(jié)果

從表4中可以看出由于鋼制構(gòu)架掛載了電機(jī)和齒輪箱，齒輪箱振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力顯著大于構(gòu)架其他部位的應(yīng)力水平。碳纖維拖車構(gòu)架的危險(xiǎn)點(diǎn)位于軸箱拉板座與側(cè)梁連接處，碳纖維構(gòu)架的總體應(yīng)力水平高于鋼制構(gòu)架。2種構(gòu)架的利用度均小于1，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

（1）文中根據(jù)EN 13749標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的靜強(qiáng)度載荷及試驗(yàn)工況對(duì)碳纖維構(gòu)架的臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明碳纖維構(gòu)架在EN 13749標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的工況下，構(gòu)架整體位于處于彈性區(qū)間，卸載后局部測(cè)點(diǎn)未發(fā)生塑性變形。

（2）碳纖維材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線非嚴(yán)格意義上的線性關(guān)系，對(duì)于大應(yīng)變區(qū)域采用應(yīng)力評(píng)價(jià)碳纖維構(gòu)架的強(qiáng)度時(shí)，需根據(jù)靜拉伸、靜壓縮試驗(yàn)獲取材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線。小應(yīng)變區(qū)域的應(yīng)力可通過應(yīng)變與彈性模量相乘獲取。

（3）通過線路試驗(yàn)得到的應(yīng)力譜，采用德國(guó)勞氏船級(jí)社規(guī)定的碳纖維疲勞強(qiáng)度計(jì)算方法，計(jì)算得到碳纖維的疲勞強(qiáng)度為125.85 MPa，對(duì)碳纖維構(gòu)架的關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)的疲勞評(píng)估結(jié)果表明碳纖維構(gòu)架整體的應(yīng)力幅值大于鋼制構(gòu)架，構(gòu)架的疲勞性能滿足設(shè)計(jì)要求。

（4）碳纖維材料的材料性能受編織密度、纖維方向、溫度等影響，碳纖維構(gòu)架的編織密度和纖維方向隨幾何變化而變化，線路試驗(yàn)所處的環(huán)境相較服役周期而言，溫濕度變化較小。關(guān)于這些因素對(duì)構(gòu)架疲勞性能的影響需進(jìn)行大量長(zhǎng)期的試驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。

（5）碳纖維由于自身具備高阻尼的特性，雖然其本身應(yīng)力水平較高，但對(duì)于實(shí)際線路的響應(yīng)有削減作用。碳纖維構(gòu)架的線路響應(yīng)特性需要布置更多更精密的傳感器進(jìn)行測(cè)試。